2. Classificação dos seres vivos

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1 UNIDADE II - ESTRUTURA E FUNÇÃO DE CÉLULAS, TECIDOS E ÓRGÃOS 1. INTRODUÇÃO 2. CLASSIFICAÇÃO DOS ORGANISMOS VIVOS 3. OS PRINCÍPIOS BÁSICOS QUE NORTEIAM A VIDA VEGETAL 4. A PLANTA COMO UM ORGANISMO 4.1. MERISTEMAS E SISTEMAS DE TECIDOS 5.2. ESTRUTURA DE RAIZ, CAULE E FOLHA 5. A CÉLULA VEGETAL 5.1. PAREDE CELULAR 5.2. PROTOPLASTO MEMBRANA PLASMÁTICA CITOPLASMA CITOSOL ORGANELAS CITOESQUELETO VACÚOLO NÚCLEO 5.3. PLASMODESMA, DESMOTÚBULO, SIMPLASTO E APOPLASTO 2. Classificação dos seres vivos Desde a época de Carl Linnaeus ( , sec. XVIII), os biologistas têm procurado classificar os seres vivos. No início, eles buscaram características de fácil identificação, surgindo os esquemas artificiais de classificação. Após as descobertas de Darwin ( , sec. XIX), eles passaram a utilizar os esquemas naturais de classificação baseados no relacionamento evolucionário. Desde então, os biologistas tem enfatizado estes esquemas naturais de classificação na tentativa de definir critérios morfológicos que reflitam melhor as relações evolucionárias. 1

2 Atualmente, sabe-se que a morfologia, ou seja, a forma e a estrutura do organismo, é o produto final da ação dos genes. Isto é, todas as informações necessárias para a formação de um organismo estão codificadas na sequência do DNA. Então, a análise da sequência do DNA têm-se constituído em uma poderosa ferramenta para se alcançar um verdadeiro sistema natural de classificação. Tendo como base a análise filogenética de sequências de DNA altamente conservadas, os organismos vivos foram divididos em três domínios principais: Bactéria, Archaea e Eucarya (Woese et al., 1990). Antes dos três domínios de vida terem sido reconhecidos, um sistema artificial de classificação, baseado na existência de cinco reinos, era amplamente aceito. De acordo com esse esquema, todos os organismos eram divididos nos seguintes reinos: Monera, Protista, Fungi, Plantae e Animalia. Alguns biologistas ainda seguem esta classificação, a qual é baseada principalmente na dicotomia entre procariotos e eucariotos. 2

3 PROCARIOTOS GRUPO SUB-GRUPO CARACTERÍSTICAS MONERA A descoberta de que archaebactérias e eucariotos são grupos filogeneticamente irmãos, sugere que archaebactérias não pertencem ao mesmo reino que bactérias. EUCARIOTOS PROTISTA Têm semelhanças estruturais de promotores, de RNA polimerases, a presença de histonas, além de outras semelhanças. EUBACTÉRIA (bactérias, cianobactérias e micoplasmas). ARCHAEBACTERIA (produtoras de metano, sulfurosas, halofíficas e termofílicas). HETERÓTROFOS (protozoários, ferruginosos, chitricomicetos, acrasiomicetos, plasmódios) AUTÓTROFOS (diatomáceas, dinoflagelados, euglenóides, algas douradas, amareloesverdeadas, pardas, vermelhas e verdes) unicelulares ou agregadas; nutrição: por absorção, fotossintéticas e quimiossintéticas; ácido murâmico na parede celular. unicelulares ou agregadas; nutrição: por absorção, e quimiossintéticas; não contém ácido murâmico na parede celular. Uni e pluricelulares; aquáticos ou terrestres; nutrição por ingestão ou absorção. uni e pluricelulares; grande maioria aquáticos e fotossintetizantes. FUNGI FUNGOS (zigomicetos, leveduras e bolores ou cogumelos) multicelulares ou raramente unicelulares; filamentosos com parede celular contendo quitina; nutrição heterotrófica por absorção. PLANTAE Plantas avasculares: BRYATA (Bryophyta, Hepatophyta e Anthocerophyta). Plantas vasculares: PTERIDÓFITAS (psilófitos, licopódios, cavalinhas e samambaias). GIMNOSPERMAS (cicas, ginkgo, coníferas e gnetinas). pequenos (2 20 cm); terrestres, sem raízes, sem folhas verdadeiras, sem tecido de suporte estrutural, não vasculares; reproduzem-se por esporos. maiores que as briatas; terrestres, com raízes, folhas e tecidos de suporte estrutural,vasculares; produtoras de esporos terrestres, com raízes, folhas e tecido de suporte estrutural, vasculares; fecundação com produção de sementes nuas ANGIOSPERMAS (mono e dicotiledôneas) terrestres, com raízes, folhas e tecidos de suporte estrutural, vasculares; fecundação dupla com produção de sementes protegidas pelos tecidos do fruto. ANIMALIA Todos os animais pluricelulares MONOCOTILEDÔNEAS (Liliópsidas): Gramineae, Palmae, Agavaceae, Bromeliaceae, Musaceae, Orchidaceae, etc. DICOTILEDÔNEAS (Magnoliópsidas): Cactaceae, Cruciferae, Rosaceae, Rutaceae, Leguminosae, Malvaceae, Myrtaceae, Cucurbitaceae, Umbeliferae, Rubiaceae, Compositae, Euforbiaceae, etc. 3

4 (A) Bacteria Archeae Eucarya (B) Eubacteria Archeae Archeae Protista (protozoa) Chromista Plantae Fungi Animalia bacteria zoa Eubacteria Universal (C) ancestor - Archaebacteria Archezoans Dinoflagellates Ciliates Zooflagellates CX X C Euglenoids Brown algae Water molds Golden algae CX C Diatms Red Algae Green Algae Plants X C Fungi C Chloroplasts (derived from cyanobacterium) M N Mitochondria (derived from aerobic eubacterium) Nucleus Endosymbiotic events Animals Loss of chloroplasts Chloroplast derived from eukaryotic cell (probaly red alga) Esquema natural de classificação e filogenia dos organismos vivos. (A) os três domínios de vida; (B) divisão dos organismos em dois reinos procariotos e seis eucariotos; (C) Filogenias hipotéticas, mostrando a origem dos principais grupos de eucariotos. O aparecimento do núcleo, mitocôndria e cloroplasto e a perda do cloroplasto, são indicados (Campbell, 1996). As angiospermas (plantas com flores) são divididas em dois grupos: monocotiledôneas e dicotiledôneas. Além desta distinção, baseada no número de cotilédones no embrião da semente, esses dois grupos também apresentam diferentes aspectos anatômicos, como o arranjo dos tecidos vasculares, a morfologia do sistema radicular e a estrutura da flor. Como grupo dominante sobre a terra e sua importância econômica e ecológica, as angiospermas tem sido as mais estudadas. 4

5 3. Princípios básicos que norteiam a vida vegetal Existem cerca de 700 espécies de gimnospermas e de angiospermas, as quais têm uma grande diversidade de forma, tamanho, ciclo de vida e habitat. Tamanho: Sequoia sempervirens (gimnosperma) e Eucalyptus jacksonii (angiosperma) com 8-15 metros de diâmetro e metros de altura; Família Lemnaceae (monocotiledônea) têm tamanho entre 1-3 milimetros. Ciclo de vida: Pinus longaeva (gimnosperma) com anos e Larrea divaricata (angiosperma) com anos, que ainda estão vivas; Arabidopsis thaliana (dicotiledônea) com ciclo de 4 semanas. Habitat: Regiões áridas ou semiáridas: mandacaru, xiquexique e macambira encontrados na caatinga nordestina, cacto saguaro e o arbusto Larrea divaricata no deserto de Sonora; Plantas aquáticas: aguapé e a Victoria regia. 5

6 A morfologia externa semelhante e outras características estruturais internas das plantas produtoras de sementes lhes confere a capacidade de executar processos que são comuns a todas elas: 1. Como produtoras primárias, as plantas verdes são coletoras de energia solar; 2. Apesar de imóveis, elas crescem à procura de luz, água e sais minerais; 3. São estruturalmente reforçadas para suportar a sua massa, visto que crescem contra a força da gravidade, à procura de luz; 4. Como perdem água continuamente pela transpiração, elas desenvolveram mecanismos que evitam a dessecação dos tecidos; 5. Possuem mecanismos que garantem o transporte de água e sais minerais para os tecidos fotossintetizantes e o transporte de fotoassimilados para os locais onde não ocorre a fotossíntese ou esta é insuficiente para o funcionamento do tecido em questão. 6

7 Representação esquemática do corpo (estrutura externa) e estrutura interna primária de uma dicotiledônea. 4. A planta como um organismo O crescimento das plantas é concentrado em regiões de divisão celular denominadas de meristemas, que são classificados como: Meristemas primários - são formados durante a embriogênese (protoderme, tecido fundamental e procâmbio): Meristema apical do caule - crescimento em extensão (crescimento primário); Meristema apical da raiz - crescimento em extensão (crescimento primário). 7

8 Meristemas secundários (pós-embrionários) - são formados após a germinação: Meristemas axilares - crescimento em extensão (crescimento primário); Meristemas de raízes laterais - crescimento em extensão (crescimento primário); Meristemas intercalares - crescimento em extensão (crescimento primário); Câmbio vascular (meristema lateral) - crescimento em diâmetro (crescimento secundário); Felogênio (meristema lateral) - crescimento em diâmetro (crescimento secundário). 8

9 Os três principais sistemas de tecidos das plantas produtoras de sementes Sistema Dérmico (Revestimento ou de Proteção) Sistema Fundamental (de Sustentação) Sistema Vascular (de Condução) Epiderme (Primário) Periderme (Secundário) Parênquima Colênquima Esclerênquima Xilema Floema SUMÁRIO DOS TECIDOS E TIPOS DE CÉLULAS TECIDOS EPIDERME TIPOS CELULARES -Células parenquimatosas em geral (incluindo células guarda, acúleos, tricomas, pelos absorventes, etc.) -Células esclerenquimatosas PERIDERME PARÊNQUIMA -Células parenquimatosas em geral -Células esclerenquimatosas - Células parenquimatosas (metabolicamente ativas com parede primária fina, presente em todos os órgãos da planta) 9

10 TECIDOS COLÊNQUIMA TIPOS CELULARES - Células colenquimatosas (células vivas, alongadas e extensíveis com parede primária espessa, funcionam como suporte estrutural em plantas em crescimento) ESCLERÊNQUIMA - Células esclerenquimatosas: fibras e esclereídeos (com parede secundária espessa e são mortas na maturidade atuam como suporte mecânico, proteção e armazenamento) TECIDOS XILEMA TIPOS CELULARES - Elementos dos vasos e traqueídeos (células condutoras são mortas quando funcionais) - Células parenquimatosas e fibras FLOEMA - Elementos do tubo crivado ou células crivadas (sem núcleo) - Células companheiras ou albuminosas - Células parenquimatosas e fibras 10

11 FUNÇÕES DA RAIZ As raízes são, quase na totalidade das plantas produtoras de sementes, órgãos subterrâneos especializados na: Fixação do vegetal ao solo; Absorção de água e sais minerais; Condução de água, sais minerais e substâncias orgânicas; Armazenamento de substâncias de reserva. FUNÇÕES DO CAULE E DAS FOLHAS Produção e suporte das folhas e de órgãos reprodutivos; Condução de água e nutrientes inorgânicos, além de substâncias orgânicas produzidas nas folhas ou nas raízes; Armazenamento de substâncias de reserva. As folhas desempenham, basicamente, duas funções: Síntese de substâncias orgânicas; Troca de gases e de energia entre a planta e o ambiente externo. 11

12 Esquema do corpo (estrutura externa) e da estrutura interna primária de uma dicotiledônea. Os três tipos básicos de organização da estrutura primária de caules vistos em seção transversal. (a) O sistema vascular aparece como um cilindro contínuo ao redor da medula. (b) Os feixes vasculares isolados formam um anel único ao redor da medula. (c) Os feixes vasculares aparecem dispersos no tecido fundamental. a) Algumas coníferas e dicotiledôneas; b) Outras coníferas e dicotiledôneas; c) Monocotiledôneas e algumas dicotiledôneas herbáceas. 12

13 ESTRUTURA DA RAIZ CRESCIMENTO SECUNDÁRIO DA RAIZ 13

14 23/07/2014 ESTRUTURA DO CAULE CRESCIMENTO SECUNDÁRIO DO CAULE 14

15 5. A CÉLULA VEGETAL 5.1. PAREDE CELULAR 5.2. PROTOPLASTO MEMBRANA PLASMÁTICA CITOPLASMA CITOSOL ORGANELAS CITOESQUELETO VACÚOLO NÚCLEO 5.3. PLASMODESMA, DESMOTÚBULO, SIMPLASTO E APOPLASTO Representação de uma célula vegetal 15

16 5.1. PAREDE CELULAR A parede celular possui diversas funções: Atua como um exoesqueleto celular, possibilitando a formação de uma pressão positiva (turgescência ou turgor) dentro da célula e, consequentemente, a manutenção da forma da célula; Por resistir à pressão de turgescência, ela se torna importante para as relações hídricas da planta; A parede celular permite a união de células adjacentes (cimentação); Determina a resistência mecânica das estruturas do vegetal, permitindo que muitas plantas cresçam e se tornem árvores de grandes alturas; A resistência mecânica das paredes do xilema também permite que as células resistam às fortes tensões criadas dentro dos vasos, o que é fundamental para o transporte de água e minerais do solo até as folhas; Em sementes, os polissacarídios da parede das células do endosperma ou dos cotilédones podem ser utilizados como reservas metabólicas; 16

17 Alguns oligossacarídios presentes na parede celular podem atuar como moléculas de sinalização, durante a diferenciação celular e no reconhecimento de patógenos e simbiontes; Embora a parede celular seja permeável para pequenas moléculas (poros de 4 nm), ela atua como uma barreira à difusão de macromoléculas, sendo a principal barreira à invasão de patógenos. O desenvolvimento celular pode mudar a arquitetura da parede celular produzindo várias formas. (A) O parênquima esponjoso da folha de Zinnia minimiza o contato e maximiza a superfície celular para a troca gasosa. (B) As formas especializadas destas células epidérmicas reflete luz para enriquecer a cor de pétalas de boca-de-leão. (C) O espessamento secundário de um elemento do vaso do xilema evita o colapso da parede devido a tensão criada pela transpiração. (D) Um tricoma de Arabidopsis com requintada ramificação é uma célula epidérmica modificada. 17

18 Componente Polissacarídios Celulose Calose Hemicelulose Pectinas Componentes estruturais da parede celular Exemplos Microfibrilas de β-(1,4) glucano β-(1,3) glucano Xiloglicano Xilano Glucomanano Arabinoxilano β-(1,3; 1,4) glucano Homogalacturonano Ramnogalacturonano Arabinano Galactano Proteínas estruturais Glicoproteínas ricas em hidroxiprolina, conhecidas como extensinas Lignina Macromolécula fenólica altamente complexa Composição centesimal de parede celular Componentes Parede primária (%) Parede secundária (%) Celulose Pectinas Hemicelulose Proteínas 1 a Lignina

19 Principais proteínas estruturais presentes em parede celular de plantas HRGP Glicoproteínas ricas em hidroxiprolina (extensinas); PRP Proteínas ricas em prolina; GRP Proteínas ricas em glicina; AGP Arabinogalactanos proteínas (< 1%; sinalização celular). A parede celular primária é composta de microfibrilas de celulose inseridas em uma matriz de polissacarídios Diagrama esquemático dos principais componentes da parede celular primária e seu arranjo provável. As microfibrilas de celulose são revestidas com hemiceluloses (tal como xiloglicano), que podem também interligar as microfibrilas uma à outra. As pectinas formam uma matriz gélica que trava as microfibrilas, talvez interagindo com proteínas estruturais. 19

20 PAREDE CELULAR SECUNDÁRIA (A)Sessão cruzada de esclereídeo de Podocarpus; (B) Organização de parede celular frequentemente encontrada em traqueídeos. Os três álcoois fenilpropanoides que juntam-se para formar a lignina. As porções circuladas mostram os locais pelos quais os monômeros são mais frequentemente ligados. 20

21 Estrutura da lignina de álamo. Estrutura parcial de uma lignina hipotética de faia européia (Fagus sylvatica). As unidades dos fenilpropanoides são ligados de forma aleatória. A lignina de faia européia contêm unidades derivadas dos álcoois coniferil, sinapil, e para-cumaril na razão aproximada de 100:70:7 e é típica de lignina de Angiospermas. A lignina de Gimnospermas contêm relativamente menor proporção de unidades do álcool sinapil. (Nimz 1974.) 21

22 Modelo de síntese de celulose por um complexo com multissubunidades contendo a sintase da celulose A molécula de celulose contém mais de unidades de glicose; A microfibrila de celulose de plantas é formada, em média, por 36 moléculas de celulose com diâmetro de 5-12 nm PROTOPLASTO O protoplasto define o conteúdo celular, sendo formado pela membrana plasmática, citoplasma, núcleo e vacúolo. O citoplasma é formado pelo citosol e organelas sendo delimitado pela membrana plasmática. O citosol é a porção coloidal hidrofílica onde ocorrem vários processos celulares importantes, tais como: glicólise, via da pentose fosfato, síntese de sacarose e síntese de proteínas. 22

23 Membranas celulares A membrana plasmática e as membranas das organelas mantêm as diferenças eletroquímicas essenciais entre o citosol e o meio externo e, entre o citosol e o interior de cada organela. Todas estas membranas tem organização molecular semelhante, consistindo de uma bicamada lipídica contendo proteínas embebidas, formando a estrutura de mosaico fluido. (8 nm) Estrutura da membrana plasmática. Note a bicamada lipídica e as proteínas integrais, periféricas e ancoradas em lipídios. Modelo do mosaico fluido. 23

24 (63,8%) (2,7%) (13,6%) Triterpenos (19,9%) 24

25 ORGANELAS VACÚOLO NÚCLEO Ciclo do desenvolvimento de plastídios Podem sofrer diferenciação, rediferenciação e desdiferenciação 25

26 Tipos de plastídios Proplastídios São pequenos corpos vesiculares produzidos nas células meristemáticas. Originam os plastídios; Amiloplastos Encontrados em órgãos de reserva, estatócitos e bainha de amido, incolores, estão envolvidos na síntese e acúmulo de amido; Leucoplastos Encontrados em folhas e caules verdes, incolores, estão envolvidos na síntese de monoterpenos (compostos voláteis encontrados nos óleos essenciais) e lipídios; Cloroplastos - São os mais proeminentes dos plastídios, realizam a fotossíntese e contêm os pigmentos fotossintéticos responsáveis pela coloração verde das plantas; Cromoplastos Sintetizam carotenoides. As cores características de frutos de tomate e laranja, raízes de cenoura e batata-doce e de flores de mal me quer e botão-de-ouro são devidas à presença de cromoplastos; Estioplastos - São formados quando a planta está na obscuridade, só ocorre síntese de lipídios de membrana (corpo pró-lamelar) e protoclorofilídio. 26

27 As mitocôndrias, local da respiração celular, são organelas pleomórficas, com diâmetro de 0,5 µm e comprimento de 1 a 4 µm; A membrana externa tem um volume de exclusão (Ve) de daltons. 27

28 D = 5-30 µm O envelope nuclear, o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi formam o sistema de endomembranas envolvido na síntese, processamento e secreção de proteínas, polissacarídios e lipídios. O núcleo contém a maior parte do material genético responsável pela regulação do metabolismo, do crescimento e da diferenciação da célula. 28

29 23/07/ proteínas diferentes (Nucleoporinas) 124 MDa; Forma octogonal com oito canais periféricos aquosos com diâmetro de 9 nm; Os microcorpos possuem funções metabólicas especializadas em folhas e sementes Os peroxissomos (folhas de plantas C3) e os glioxissomos (sementes oleaginosas) são microcorpos especializados na βoxidação de ácidos graxos e no metabolismo do glioxilato, um aldeído ácido de dois carbonos. Tem alta densidade 1,23 g/cm3 com diâmetro de 0,2 a 1,7 µm. Possuem mais de 50 enzimas diferentes. A enzima catalase, presente em todos, serve como marcadora de microcorpos. RH2 + O2 R + H2O2 (R: representa o substrato orgânico) 2 H2 O2 catalase 2 H2 O + O2 (H2O2 é tóxico e deve ser degradado) 29

30 Funções e propriedades dos vacúolos: Em células maduras ele ocupa de 80 a 90% do volume celular; são responsáveis pelo balanço hídrico celular; Em células em crescimento, vários compostos orgânicos e inorgânicos acumulam-se nos vacúolos contribuindo para a formação do potencial osmótico que é responsável pela pressão de turgescência necessária para o crescimento e manutenção da forma dos tecidos; 30

31 Contêm enzimas hidrolíticas (proteases, ribonucleases e glicosidases) que participam da degradação das macromoléculas celulares durante o processo de senescência. Neste aspecto, eles se assemelham aos lisossomos de células animais, que funcionam na digestão intracelular; Um tipo especializado de vacúolo, conhecido como vacúolo neutro proteico, abundante em sementes, serve como local de estoque de proteínas; Em plantas suculentas, a flutuação diária no conteúdo de ácidos orgânicos nos vacúolos é conhecida como metabolismo ácido das crassuláceas (plantas CAM, como as cactáceas e crassuláceas); Muitas células de plantas sintetizam pigmentos, tais como antocianina e betacianina, os quais são armazenados nos vacúolos; Outros produtos secundários, incluindo alcaloides, saponinas, glicosídios cianogênicos, também se acumulam nos vacúolos; 31

32 Estoca cristais de oxalato de cálcio (como em Araceae); Acumula sais potencialmente tóxicos (Na + e Cl - ) em halófitas (plantas nativas de ambientes salinos); São importantes para a homeostase iônica, mantêm as concentrações de alguns íons (como H +, Ca 2+, PO 4 3-, NO 3- ) estáveis e em níveis adequados no citosol CITOESQUELETO VEGETAL O citosol de células eucarióticas é organizado por uma rede tridimensional de filamentos proteicos, o citoesqueleto, que proporciona uma organização espacial para as organelas e serve como arcabouço para os movimentos das organelas e de outros componentes do citoesqueleto. O citoesqueleto também apresenta papéis fundamentais nos processos de mitose, meiose, citocinese, depósito da parede celular, manutenção da forma celular e diferenciação celular. 32

33 O citoesqueleto vegetal é formado por microtúbulos e microfilamentos. Microtúbulos estão envolvidos na organização espacial e orientação de estruturas Microfilamentos estão envolvidos no movimento de estruturas e da corrente citoplamática (juntamente com as proteínas motoras miosina, dineína e cinesina) Miosina controla o movimento de organelas. 33

34 Os microtúbulos e o sistema de endomembranas atuam na mitose (processo pelo qual os cromossomos replicados são alinhados, separados e distribuídos ordenadamente nas células-filhas) e na citocinese (processo que estabelece a placa celular, precursora da nova parede celular) PLASMODESMA, DESMOTÚBULO, SIMPLASTO E APOPLASTO 34

35 Os plasmodesmas são extensões tubulares da membrana plasmática que atravessam a parede celular conectando os citoplasmas de células adjacentes. Diâmetro: 40 a 50 nm; Limite de massa molecular: 700 a daltons; Equivale a um tamanho molecular de 1,5 a 2,0 nm. Simplasto e apoplasto A conexão de células vizinhas através dos plasmodesmas, cria uma rede contínua de citoplasmas em toda a planta, conhecida como simplasto. De maneira similar, estas células produzem uma rede de espaços extracelulares, conhecida como apoplasto. O apoplasto compreende o espaço formado pelas paredes de células interconectadas, pelos espaços intercelulares e pelos tecidos vasculares não vivos. Os conceitos de simplasto e apoplasto são importantes no estudo do transporte de água e de solutos e sinalização no desenvolvimento na planta. 35